一種車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

System Design of a Vehicle-borne Stabilized Platform

CHEN Meifang，WANG Hu，XU Feijun

(NO.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China)

一種車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳美芳，王虎，徐非駿

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

System Design of a Vehicle-borne Stabilized Platform

CHEN Meifang，WANG Hu，XU Feijun

(NO.38 Research Institute of CETC， Hefei 230088， China)

摘要：研究一種二維車載穩(wěn)定平臺(tái)，與常規(guī)的平臺(tái)不同，采用了同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、多星切換技術(shù)和TUNER調(diào)整技術(shù)等。通過對(duì)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法的研究，找到了一種體積小、成本低、可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的車載平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)，可為車載穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供寶貴的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：車載式；穩(wěn)定平臺(tái)；伺服控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TH112.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)03-0014-03

收稿日期：2014-11-04

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAH24B05)

Abstract：A two-dimensional vehicle-borne stabilized platform is introduced in this paper. Different from the conventional design，it uses synchronous belt structure，multi satellite switching technology and tuner adjustment technology. Based on the introduction of structure design and control methods，vehicle-borne stabilized Platform which had the characteristics of small volume，low cost，high reliability，and simple maintenance is founded. It can provide valuable theoretical and practical basis for the design of vehicle-borne stabilized platform.

作者簡(jiǎn)介：陳美芳(1981-)，女，安徽淮北人，工程師，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方面的研制工作。

Key words:vehicle-mounted; stabilized platform; servo control system

0引言

無論是在民用還是在軍用中，車載穩(wěn)定平臺(tái)的研發(fā)越來越迅速，也越來越迫切，比如在交通管制偵測(cè)技術(shù)以及民用檢測(cè)上，雷達(dá)車的穩(wěn)定平臺(tái)、以及裝甲車坦克上的瞄準(zhǔn)平臺(tái)，一系列的需求促使了車載穩(wěn)定平臺(tái)的迅猛發(fā)展。也使得車載平臺(tái)的應(yīng)用越來越廣泛，要求也越來越高[1-3]。

車載穩(wěn)定平臺(tái)承載著某跟蹤測(cè)量設(shè)備，是跟蹤系統(tǒng)基準(zhǔn)中關(guān)鍵的部件之一，其結(jié)構(gòu)和控制方法直接影響著系統(tǒng)的性能。

1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由穩(wěn)定平臺(tái)及伺服控制板組成，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)組成

穩(wěn)定平臺(tái)主要由方位軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，俯仰軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，方位軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，俯仰軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，安裝底座以及保護(hù)開關(guān)，同軸鉸鏈構(gòu)成。

伺服控制的功能是控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)跟蹤，主要功能是按照ACU的指令選擇相應(yīng)的衛(wèi)星去跟蹤，跟蹤上衛(wèi)星后鎖定衛(wèi)星，保證在車輛運(yùn)動(dòng)過程中也能對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，連續(xù)的接收衛(wèi)星信號(hào)，如特殊情況衛(wèi)星丟失(比如車輛進(jìn)入山洞遮擋)后能夠快速追蹤衛(wèi)星并且恢復(fù)鎖定，并且將伺服狀態(tài)傳送給ACU顯示。

2穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。穩(wěn)定平臺(tái)天線罩底端有安裝法蘭，用于將衛(wèi)星電視接收機(jī)固定在車頂，防止移位，晃動(dòng)，通過方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線方位全向轉(zhuǎn)動(dòng)；俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端支座固定在底盤上。俯仰前端與俯仰后端對(duì)稱安裝，底盤上安裝元器件時(shí)，一方面要考慮走線的方便，另一方面通過合理的布置，使得整個(gè)穩(wěn)定平臺(tái)的重心在方位的回轉(zhuǎn)軸上，同時(shí)盡量靠近回轉(zhuǎn)中心，以便減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

圖2　穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.1　天線單元

系統(tǒng)已選擇相控陣平板天線作為接收天線。天線單元由兩塊雙極化天線，固定板，以及高頻頭組成，2塊雙極化天線肩并肩安裝在固定支架上，每塊天線的背面留有接口安裝高頻頭。天線單元結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3　天線單元結(jié)構(gòu)組成

2.2　俯仰驅(qū)動(dòng)單元

如圖4所示，俯仰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由俯仰驅(qū)動(dòng)端和俯仰從動(dòng)端組成，驅(qū)動(dòng)端通過帶輪實(shí)現(xiàn)從動(dòng)端的同步俯仰運(yùn)動(dòng)。

圖4　俯仰驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)方式采用“電機(jī)+同步帶”的方式，其綜合了帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力。同步帶傳動(dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大，傳遞功率從幾瓦到幾百千瓦。傳動(dòng)效率高，一般可達(dá)98%，不需潤滑，無污染，完全滿足技術(shù)要求。

2.3　方位驅(qū)動(dòng)單元

方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由方位軸系、方位驅(qū)動(dòng)端和底盤等組成。

方位軸系采用常規(guī)的傳動(dòng)方式，由軸承座、方位軸和軸承等主要零件組成[4]，方位帶輪與方位軸固連，軸內(nèi)走線，外部設(shè)備通過同軸鉸鏈傳輸信號(hào)及供電.方位驅(qū)動(dòng)同樣也采用同步帶傳動(dòng)，方位帶輪固定在天線罩底部，方位電機(jī)安裝在底盤上，與穩(wěn)定平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。方位驅(qū)單元如圖5所示。

圖5　方位驅(qū)動(dòng)單元

3伺服控制

伺服控制，主要作用是在運(yùn)動(dòng)中搜索需要跟蹤的衛(wèi)星并且鎖定衛(wèi)星，在車輛的運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)的鎖定衛(wèi)星，確保接收衛(wèi)星信號(hào)的連續(xù)性，在遇到遮擋或者特殊情況后衛(wèi)星丟失能夠快速找回要跟蹤的衛(wèi)星；伺服控制器還可以根據(jù)下端的ACU控制器發(fā)來的衛(wèi)星選擇命令跟換需要跟蹤的衛(wèi)星以及根據(jù)各個(gè)頻道要求跟換天線的極化角；并且還將當(dāng)前的跟蹤狀態(tài)將當(dāng)前的跟蹤狀態(tài)等信息下傳給ACU進(jìn)行顯示。

伺服控制方法采用速度、信號(hào)雙閉環(huán)控制方法，速度閉環(huán)的檢測(cè)器件是壓電陀螺，檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，與輸入給定比較，得到速度閉環(huán)，閉環(huán)控制方法為PI控制，大閉環(huán)采用信號(hào)閉環(huán)，由TUNER采集中頻信號(hào)，將采集的中頻信號(hào)和設(shè)定的信號(hào)特征進(jìn)行對(duì)比和提取，提取的信號(hào)強(qiáng)度作為信號(hào)閉環(huán)的特征[5]?？刂屏鞒倘鐖D6所示。

圖6　伺服控制流程

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1　同步帶傳動(dòng)

同步帶通過傳動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)表面上等距分布的橫向齒和帶輪上的相應(yīng)齒槽的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)，具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪之間無相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，效率可達(dá)98%[4，6]。

俯仰和方位驅(qū)動(dòng)都采用了同步帶機(jī)構(gòu)。由于傳動(dòng)帶的材料不是完全的彈性體，因而同步帶在工作一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生塑性變形而伸長(zhǎng)，這時(shí)，可通過調(diào)節(jié)張緊輪，以達(dá)到調(diào)節(jié)中心矩的目的，保持正常工作。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，同時(shí)便于裝拆。

4.2　多星切換技術(shù)

根據(jù)ACU的選星指令和頻道信號(hào)，通過TUNER快速調(diào)整衛(wèi)星頻點(diǎn)和極化位置，提供給用戶多顆衛(wèi)星選擇。即多星可選，給用戶提供更多選擇；雙路極化可選，試用不同客戶需求。

4.3　TUNER調(diào)整技術(shù)

利用TUNER替換常規(guī)的聲表濾波器提取AGC信號(hào)，可以選擇不同衛(wèi)星下行頻率，為多星選擇提供了技術(shù)保證。即可靠性高、造價(jià)低、受環(huán)境影響小和功能豐富。

5結(jié)束語

車載穩(wěn)定平臺(tái)是集結(jié)構(gòu)和伺服控制于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。它的功能是在移動(dòng)車輛上接收衛(wèi)星的信號(hào)，來確定位置信息。提出的穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法，具有體積小、成本低、智能化、可靠性高和維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過對(duì)其研究，可進(jìn)一步推動(dòng)車載穩(wěn)定平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王連明.機(jī)載光電平臺(tái)的穩(wěn)定與跟蹤伺服控制技術(shù)研究.長(zhǎng)春：中科院長(zhǎng)春光機(jī)所，2002.

[2]于淼.車載平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定研究.長(zhǎng)春：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2008.

[3]張智永.移動(dòng)載體穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)測(cè)控技術(shù)研究.長(zhǎng)沙：國防科技大學(xué)，2001.

[4]吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

[5]郭新勝.車載穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).南京：南京理工大學(xué)，2004.

[6]方文中.同步帶傳動(dòng)-設(shè)計(jì)·制造·使用.上海：上?？茖W(xué)普及出版社，1993.